小功率等离子体射流的流特性

采用焓探针对小功率(5kW)热喷涂等离子体射流的焓、温度和速度进行了测量和计算。研究了气体成分、流量、电弧电压和电流对等离子流体的焓、温度和速度分布的影响。结果表明,对于单一氩气等离子体,当使用新喷嘴时,增大氩气流量能够使喷嘴内部电弧弧根向出口方向移动,从而增加等离子体射流的焓、温度和速度。对于Ar-N2等离子体,增加气体中氮气的含量,会提高等离子电弧电压,在同样的输入功率下,改变等离子电流和电压对等离子体的焓、温度和速度影响较小。对于Ar-N2等离子体,增加氢气含量会明显地提高等离子射流的速度和热传递。     

Basic characteristics of an atmospheric pressure rf generated plasma jet

A plasma jet has been developed which operates using radio frequency (rf) power and produces a stable homogeneous discharge at atmospheric pressure. Its discharge characteristics, especially the dependence of stable discharge operating range on the feed gas, were studied, and the electric parameters such as RMS current, RMS voltage and reflected power were obtained with different gas flows. These studies indicate that there is an optimum range of operation of the plasma jet for a filling with a gas mixture of He and O_2. Two "failure" modes of the discharge are identified. One is a filamentary arc when the input power is raised above a critical level, another is that the discharge disappears gradually as the addition of O_2 approaches 3.2%. Possible explanations for the two failure modes have been given. The current and voltage waveform measurements show that there is a clear phase shift between normal and failure modes. In addition, I－V curves as a function of pure helium and for 1% addition of oxygen have been studied.     

大气压冷等离子体喷枪气体温度的比较研究

采用介质阻挡放电等离子体喷枪装置,在大气压下流动气体(氩气和痕量氮气)中产生了稳定的喷射等离子体.通过拍摄喷枪发光照片,研究了喷射等离子体长度随气体流量的变化关系.利用高分辨率光谱仪采集等离子体羽处的发射光谱,通过对发射光谱中N+2的第一负系(B 2Σ+u→X 2Σ+g,390～391.6 nm)谱线拟合得到了射流等离...     

大气压射流等离子体放电特性及其灭菌效果

介绍了一种同轴电极的射流等离子体发生装置,可以直接在大气中将生成的氦气辉光放电射流等离子体喷出进行杀菌消毒,无需反应容器和真空系统,并从电压、频率、流速等方面讨论了该同轴等离子体发生器的放电特性。在稳定的放电条件下,利用实验装置进行了大气压下的等离子体灭菌实验,验证了本装置在等离子体灭菌应用上的可行性和易操作性。灭菌结果表明：在最初的2 min内,细菌减小趋势明显,3 min后细菌几乎全部消亡。     

层流氩等离子体射流温度的测量

 采用给水冷管状静电探针施加负偏置电压、并使探针以一定速度垂直于射流轴线扫过层流氩等离子体射流的方法,测量探针所收集到的累积离子饱和电流随侧向位置的变化,利用Abel变换推导出了局部离子饱和电流密度沿射流径向的分布;采用自制的水冷动压探针,以动态扫描法测量了射流动压沿射流径向的分布;根据局部离子饱和电流密度和射流动压的测量数据,由理论关系式推导出了等离子体射流横截面上的温度分布,同时,采用谱线相对强度法测量了等离子体射流的激发温度。结果表明：两种方法得到的等离子体射流中心温度吻合较好,所得到的射流中心温度随弧电流加大而增大的变化趋势也一致。     

层流氩等离子体射流温度的测量

采用给水冷管状静电探针施加负偏置电压、并使探针以一定速度垂直于射流轴线扫过层流氩等离子体射流的方法,测量探针所收集到的累积离子饱和电流随侧向位置的变化,利用Abel变换推导出了局部离子饱和电流密度沿射流径向的分布;采用自制的水冷动压探针,以动态扫描法测量了射流动压沿射流径向的分布;根据局部离子饱和电流密度和射流动压的测量数据,由理论关系式推导出了等离子体射流横截面上的温度分布,同时,采用谱线相对强度法测量了等离子体射流的激发温度。结果表明：两种方法得到的等离子体射流中心温度吻合较好,所得到的射流中心温度随弧电流加大而增大的变化趋势也一致。     

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通过构建等离子体数字测控系统,测量了等离子体发生器不同工况下的工作参数,包括工作气体流量、冷却水温升、弧电压与弧电流等。运用能量平衡原理,计算了等离子体发生器出口射流平均焓值、平均温度及其分布。结果表明,在等离子体发生器的出口处,射流温度呈抛物线分布,增加主气气体流量,射流焓值与温度呈下降趋势,而添加氢气为辅助工作气体时,射流焓值与温度将会得到显著提高。     

大气压冷等离子体射流研究进展

有许多种方法可用于在大气中产生等离子体射流,冷等离子体（离子温度在室温附近）射流即是其中的一种.近年来,人们发现氦气或其它惰性气体通过毛细管介质阻挡放电形成的冷等离子体射流具有类似子弹的传输特性,在有机材料表面改性、等离子体医学等领域获得了广泛的应用.通过专门设计的一系列实验,我们逐渐揭示了其产生机理,并深入研究了传输特性.文章简要介绍近年来我们所做的有关大气压冷等离子体的实验过程以及获得的一些重要结论.在对这种等离子体深入了解的基础上,作者还开发了一种新装置,该装置的最大特点是既利用了氦气在辅助放电方面的特性,又不消耗这种昂贵的资源;并且它还特别适合于在臭氧层修复、等离子体医学等方面的应用.     

一种大气压放电氦等离子体射流的实验研究

大气压介质阻挡放电（DBD）等离子体射流获得了广泛的应用.但是到目前为止,人们对其形成机理仍不甚清楚.为此,本文对其进行了一系列的实验研究.与其他采用高速CCD进行的研究不同,本文研究的主要手段是两个带有狭缝的光电倍增管,数码相机和电学测量.虽然这些实验条件相对比较简陋,但是本文仍然根据这些实验结果探讨了等离子体射流的形成机理,传输特性,以及影响等离子体射流长度的实验参数,并发现了“电荷溢流”现象. 关键词： 介质阻挡放电 电晕放电 大气压等离子体射流 电荷溢流     

纳秒脉冲放电等离子体射流特性

采用单针式电极,使用单极性重复频率脉冲电源,在常压氦气、氩气、氮气和空气中得到等离子体射流,并改变电压、流量和气体种类,分别观察不同的实验条件对等离子体射流的影响。实验结果表明:射流长度随施加电压的增加而增长;随着流量的连续变化,射流长度先逐渐变长,达到峰值后由于湍流影响,长度又逐渐缩短,达到一定流量后趋于饱和。此外,不同工作气体中的等离子体射流呈现截然不同的外观,氦气和氩气中射流呈针状模式,长度可达7 cm以上;而在氮气和空气中,射流呈现为长度不超过2 cm的刷状模式。     

纳秒脉冲放电等离子体射流特性

采用单针式电极,使用单极性重复频率脉冲电源,在常压氦气、氩气、氮气和空气中得到等离子体射流,并改变电压、流量和气体种类,分别观察不同的实验条件对等离子体射流的影响。实验结果表明：射流长度随施加电压的增加而增长;随着流量的连续变化,射流长度先逐渐变长,达到峰值后由于湍流影响,长度又逐渐缩短,达到一定流量后趋于饱和。此外,不同工作气体中的等离子体射流呈现截然不同的外观,氦气和氩气中射流呈针状模式,长度可达7 cm以上;而在氮气和空气中,射流呈现为长度不超过2 cm的刷状模式。     

Influence of oxygen addition on the discharge characteristics of an argon plasma jet at atmospheric pressure

Plasma jet is an important low-temperature plasma source in extensive application fields. To promote the production of active oxygen species, oxygen is often introduced into the inert working gas. However, the influence of oxygen content on the discharge characteristics of an argon plasma jet is not clear. Aim to this status, an argon plasma jet in a single-electrode geometry is employed to investigate the influence of oxygen concentration (C_O) on discharge aspects. Results indicate that with increasing C_O (≤ 0.6%), the plume transits from a diffuse morphology to a hollow structure. Electrical and optical measurements reveal that both discharge number per voltage cycle and pulse intensity alter with varying C_O. Moreover, discharge morphologies of negative and positive discharges obtained by fast photograph also shift with varying C_O. Besides, optical emission spectra are collected to investigate atomic C_O, electron density, and electron temperature. The results mentioned above are explained qualitatively, which are believed to be of great significance for the applications of atmospheric pressure plasma jet.     

Ar/H2O大气压等离子体射流放电特性

为了研究水蒸气体积分数对大气压等离子体射流放电机理及放电效率的影响,进而产生高活性低温等离子体并优化其效率。通过对大气压氩水等离子体射流的电压电流波形和Lissajous图形等电气特性的测量及发射光谱和发光图像等光学特性诊断,研究了不同水蒸气体积分数时,等离子体射流的放电特性。通过计算放电功率、传输电荷量、电子激发温度、分子振动温度和分子转动温度等主要放电参量,研究了它们随水蒸气体积分数的变化趋势,并结合放电机理对所得实验结果进行分析。结果表明,Ar/H2O等离子体射流除了产生N2和Ar,还有OH和O,气体温度在525~720 K之间变化,为典型的低温等离子体;随着水蒸气体积分数的增加,等离子体羽喷出管口的长度减小,放电功率减小,发光强度减弱,转动温度和振动温度增加;相同功率下,水蒸气体积分数为0.5%时,产生的OH达到最大。     

大气压微波等离子体射流装置放电特性研究

基于同轴传输线结构设计了两种不同喷嘴结构的大气压微波等离子体射流(MW-APPJ)装置,其工作频率2.45 GHz,工作气体为氩气,分别研究了两种不同喷嘴结构对等离子体放电特性产生的影响。仿真结果表明,MW-APPJ在气体喷嘴处会产生高强度的电场,经过优化结构,实现在频率2.45 GHz下,喷嘴处的场强满足氩气电离的击穿场强阈值要求。同时,利用多物理场耦合仿真软件对装置的气流分布进行了稳态模拟,并通过实验对比分析了两种喷嘴结构下大气压氩等离子体射流的基本特性。实验结果表明,不同的喷嘴结构会影响等离子体装置的反射系数随输入功率的变化规律,但并不影响等离子体射流长度随输入功率的变化规律和反射功率随进气流量的变化规律;同时,在大气压下,稳态微波等离子体射流呈现出类金属性,等离子体中的电子只能在很薄的区域中吸收微波能量,因而造成微波的反射功率较大。     

Diamond deposition with plasma jet at reduced pressure

Carburizing and diamond deposition experiments were done on titanium, niobium, and molybdenum substrates with argon-methane-hydrogen gas mixture plasma jets at a pressure of 200 torr for various hydrogen concentrations. Diamond deposition was obtained at a volume of 7% hydrogen added to the plasma jet. The deposits were markedly different on the different metal substrates. Diamond deposits with habit planes were clearly observed on niobium and molybdenum, while the deposit on titanium consisted of ball-like particles. The emission spectra from the plasma jet were the same, for all the substrates, proving that the difference in the diamond deposit depends on the substrate characteristics. CH, C₂, hydrogen, and carbon atoms were identified in the plasma jet. The difference in the deposits is attributed to the reactivity of carbon species in the plasma with the metal surface as well as to the solubility of hydrogen in metals     

On plasma parameters of a self-organized plasma jet at atmospheric pressure

Electron temperature and electron concentration in the active zone of a miniaturized radio frequency (RF) non-thermal atmospheric pressure plasma jet in argon have been determined using two independent approaches: the spectroscopic measurement of the broadening of Balmer H_b_\beta and H_g_\gamma lines and a time-dependent, spatially two-dimensional fluid model of a single discharge filament. The plasma source has been configured as a capacitively coupled RF jet (27.12 MHz, 8 W generator output power) with two outer ring electrodes around a quartz capillary with diameter of 4.0 mm between which Ar flows at typical rates of 0.3 slm. The discharge has been operated in a self-organized mode, where equidistant, stationary filaments rotate regularly with a constant frequency at the inner wall of the outer capillary. For the purpose of calculating the spectral line broadening different models applicable at higher electron concentration have been evaluated. Resulting electron concentrations are between 2.2 and 3.3 × 1014 cm^-3. The calculation according to the line broadening model provides electron temperatures between 20 000 and 30 000 K which is in agreement with the results of the fluid model calculations. Here, a broad radial profile with a maximal value of about 22 000 K in the centre of the column and an electron concentration of about 7 × 10¹³ cm^-3 have been obtained. Moreover, the results of the model calculations reveal a structural change of the filament from the dielectric surface through the sheath to the column. The axially inhomogeneous region has an extension of about 0.5 mm. In the column a concentration of about 10¹³ cm^-3 has been found for the excited argon atoms, whose collisions with electrons represent the most important ionization channel there.     

等离子体合成射流能量效率及工作特性研究

基于等离子体激励器工作过程中气体放电的焦耳加热作用, 并结合局部热力学平衡等离子体物理假设, 开展了等离子体合成射流三维唯象数值研究, 获得了完整工作周期内等离子体合成射流流场发展演变过程. 研究结果表明, 单次能量沉积建立的自维持周期性射流中存在有实现激励器腔体"充分" 回填的最大脉冲工作频率––饱和频率. 大的能量沉积、小的激励器出口直径和相同腔体体积下大的径高比都可以产生速度更高的射流, 而射流速度的提高会伴随有饱和频率的降低. 一个饱和周期内, 最多约有16%的初始腔内气体喷出, 吸气复原仅能实现初始腔体质量90%左右的回填.一个大气压条件下, 容性电源供能的等离子体合成射流激励器电能向气体热能和射流动能的转化效率分别约为5%和1.6%. 关键词： 等离子体激励器 合成射流 能量效率 饱和频率     

常压微波等离子体炬装置的模拟与设计

介绍了一台低成本的常压微波等离子体炬设备,给出了该设备构造及喷嘴的设计思路,分析了各种气体的非磁化微波等离子体的击穿电场强度,数值求解了设备中矩形TE103谐振腔中的电磁场分布,应用高频电磁场模拟分析软件HFSS优化了喷嘴在波导中的具体位置,并对优化后喷嘴周围的电场分布进行了模拟。模拟结果表明：微波输入有效功率为500 W,喷嘴伸出矩形波导1 mm时,喷嘴尖端处的电场强度在1.2×106 V·m-1以上,远大于氩气的击穿电场强度,更易于等离子体炬的激发。实验结果证明了模拟结果的正确性和装置的有效性。     

常压微波等离子体炬装置的模拟与设计

 介绍了一台低成本的常压微波等离子体炬设备,给出了该设备构造及喷嘴的设计思路,分析了各种气体的非磁化微波等离子体的击穿电场强度,数值求解了设备中矩形TE103谐振腔中的电磁场分布,应用高频电磁场模拟分析软件HFSS优化了喷嘴在波导中的具体位置,并对优化后喷嘴周围的电场分布进行了模拟。模拟结果表明：微波输入有效功率为500 W,喷嘴伸出矩形波导1 mm时,喷嘴尖端处的电场强度在1.2×10⁶ V·m^-1以上,远大于氩气的击穿电场强度,更易于等离子体炬的激发。实验结果证明了模拟结果的正确性和装置的有效性。     

热等离子体射流温度与放电功率和气体流量的定标关系

利用氮系统的高温热力学函数C_p,m,结合热量计算公式及能量平衡关系,在理论上得到热平衡等离子体射流温度与放电功率和气体流量的定标关系。结果表明,该过程满足相似性原理,射流温度不是功率和流量的一般二元函数,而是比值P_eff/f 的一元函数。并对结果进行了相关的分析和讨论,为热等离子体的应用提供了参考数据。